На примере кристалла YAG:Er³⁺ реализована бифотонная оптическая спектроскопия в режиме счета одиночных фотонов и впервые экспериментально показано, что бифотонные спектроскопические измерения можно проводить при наличии сильного шумового фона.

Лаборатория нелинейной оптики.

Измерен спектр поглощения кристалла YAG:Er³⁺ в области 645–655 нм с разрешением 0.01 нм в режиме счета фотонов с использованием бифотонного света, генерируемого в процессе спонтанного параметрического рассеяния. Показано экспериментально, что бифотонная спектроскопия, в отличие от однофотонной, позволяет получать спектроскопическую информацию при наличии внешнего шумового фона, такого как тепловое излучение, интенсивность которого существенно превышает интенсивность двухфотонного света. Проанализированы преимущества бифотонной спектроскопии при исследовании объектов, чувствительных к воздействию оптического излучения.

Рис. 1. Установка для бифотонной спектроскопии примесных кристаллов: He-Cd - гелий-кадмиевый лазер, работающий в непрерывном режиме на длине волны 325 нм; УФС1 - фильтр, отсекающий красное излучение, генерируемое лазером; Д - набор диафрагм; LiIO3 - кристалл иодата лития, вырезанный под коллинеарный режим СПР I-го типа; ЖС11 – фильтр, отсекающий накачку; СД - неполяризационный светоделительный кубик; Обр. - исследуемый образец; Л - линзы, фокусирующие излучение; Ф - широкополосный фильтр серии КС, уменьшающий засветку; М - монохроматор, выделяющий частотную моду; ЛФД - лавинный фотодиод; СС - схема совпадений. 

Рис. 2. Бифотонная спектроскопия YAG:Er³⁺. 

Новым перспективным режимом оптической когерентной спектроскопии является также режим бифотонной спектроскопии, реализованный авторами работ [1, 2] на примере кристалла Er³⁺:YAG и высококонцентрированного рубина. Созданная аппаратура для бифотонной спектроскопии характеризуется высокой помехоустойчивостью и спектральным разрешением (порядка 0,01 нм) в режиме счета фотонов. Снятые в технике бифотонной спектроскопии спектры поглощения Er³⁺:YAG демонстрируют все детали, как у спектра, полученного на обычном спектрометре. Бифотонный спектр снимался в условиях коллинеарного вырожденного синхронизма. Ширина спектра в этих условиях достигает 20 нм, что позволяет проводить спектроскопические исследования в этом диапазоне посредством только монохроматора. Бифотонная оптическая спектроскопия позволяет получать не только детальные спектры, но и проявляет устойчивость этого метода измерений к шумам детекторов.

Рис. 3. Спектр поглощения Er³⁺+:YAG полученный методом традиционной и бифотонной спектроскопии в условиях когда шум превышает сигнал в 2 раза (а) и в 30 раз (б). 
На рисунке выше видно, что с ростом уровня шумов спектр, снятый методом бифотонной спектроскопии, почти не изменился, а спектр снятый обычным методом практически исчез.

Публикации:

1. A.A.Kalachev, D.A.Kalashnikov, A.A.Kalinkin, T.G.Mitrofanova, A.V.Shkalikov, V.V.Samartsev: Biphoton spectroscopy of YAG:Er³⁺ crystal // Laser Phys. Let. 4, №10, 722–725 (2007) / DOI 10.1002/lapl.200710061.
2. A.A. Kalachev, D.A. Kalashnikov, A.A. Kalinkin, T.G. Mitrofanova, A.V. Shkalikov, V.V. Samartsev: Biphoton spectroscopy in a strongly nondegenerate regime of SPDC // Laser Phys. Let. 5, №8, 600-602 (2008).